铁磁多层膜中电流驱动磁矩的有效翻转

论文摘要

在具有垂直磁各向异性的重金属/铁磁金属异质结中,由自旋轨道转矩驱动的磁矩翻转被认为是一种有效控制磁矩的手段。由于自旋霍尔效应,电流通过具有强自旋轨道耦合的重金属层的电流将在横向方向产生自旋流,这种横向的自旋流将对铁磁层的磁矩施加转矩,自旋轨道转矩的方向和大小取决于重金属层的自旋霍尔角。另一方面,当铁磁层原子处在结构对称性破缺的环境当中时,Rashba自旋轨道耦合同样会产生自旋轨道转矩,即界面处的自旋积累通过交换耦合的形式使相邻的磁矩发生偏转。提高自旋轨道转矩的强度和效率有多种方法,包括产生更多的自旋流或者增加自旋流的吸收以增加施加于磁矩的转矩。本论文通过采用几种有效的方法,研究了铁磁多层膜中高效的自旋轨道转矩。在第一项研究中,我们发现在由双层重金属和垂直磁各向异性的超薄Co组成的异质结构中存在零磁场下的自旋轨道转矩。两层重金属（Ta和Pt）通过线性组合强化自旋轨道耦合,而这种强化作用不能用传统的自旋霍尔效应解释。我们同时通过在多层膜结构中插入Co2FeAl层,研究了相关的自旋轨道转矩效应。在第二项研究中,我们研究了垂直磁各向异性薄膜Pt/Co/W中的自旋轨道转矩,并同时与Pt/Co/AlOx相比较。通过谐波测试,我们表征了类阻尼转矩和类场转矩所对应的有效磁场。在不对称的Pt/Co/W三层膜中,Pt和W的自旋霍尔角符号相反,由于自旋霍尔效应和Rashba效应,这两种转矩都得到了提高,但是类阻尼转矩起主导作用。而在Pt/Co/AlOx中,类阻尼转矩和类场转矩都比较明显。在第三项研究中,通过控制Ti的氧化时间,我们研究了 Pt/Co/TiOx异质结构中的自旋轨道转矩。自旋轨道转矩引起的磁化翻转在Pt/Co/Ti异质结构中很弱。然而,随着Ti层的氧化,它变得越来越明显。当氧化时间超过阈值（11分钟）时,Pt/Co/TiOx异质结构中的磁矩可以完全翻转。但过度氧化又使得磁矩翻转消失。通过X射线光电子能谱,我们发现通过11分钟的氧化,Ti的平均化合价约+3.619,即Ti2O3提高了自旋轨道转矩的效率。氧化的手段增强了界面处的Rashba效应、薄膜的质量以及界面处的自旋透射效率,从而增强了自旋轨道转矩效应。在第四项研究中,我们研究了 Pt/Co/Al0x/Co/Ta多层结构中的自旋轨道转矩。自旋轨道转矩的等效磁场可以通过改变A10x层的厚度以及两层Co之间的耦合加以调节。Al0x层厚度的改变显著影响了多层膜的整体磁学和电学性质。通过谐波的测量,最终确定了类阻尼转矩和类场转矩所对应的等效磁场。

论文目录

• ACKNOWLEDGEMENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• INTRODUCTION
• 1 MAGNETISM AND SPINTRONICS
•   1.1 Magnetic Moment
•   1.2 Electron Spin
•   1.3 Magnetic Anisotropy Energy
•   1.4 Exchange Interactions
•   1.5 Ferromagnetism in Electron Systems
•   1.6 Heisenberg -Exchange Interaction
•   1.7 Dzyaloshinskii-Moriya Interaction
•   1.8 Skyrmions
• 2 THEORY OF SPIN-TRANSFER TORQUES AND SPIN-ORBIT TORQUES
•   2.1 Spintronics Devices
•   2.2 Spin-Transfer Torques
•   2.3 Spin-Orbit Torques
•     2.3.1 Origin 1: Spin Hall Effect
•     2.3.2 Origin 2: Inverse Spin Galvanic Effect and Rashba-Edelstein Effect
•     2.3.3 Spin Transport Across the Interface
•   2.4 The Role of the Spin-Orbit Interaction
•   2.5 MTJ Based on Spin-Transfer Torques and Spin-Orbit Torques
• 3 EXPERIMENTAL TECHNIQUES
•   Introduction
•   3.1 Device Fabrication Processes
•     3.1.1 Surface Cleaning and Coating of Substrate
•     3.1.2 Scanning Electron Microscope
•     3.1.3 Electron-Beam Lithography
•     3.1.4 Argon Ion Milling
•     3.1.5 Magnetron Sputtering
•   3.2 Electrical and Magnetic Measurement
•     3.2.1 Magnetic Measurement
•     3.2.2 Electrical Measurement
•   3.3 Harmonic Measurements
•   3.4 Surface Characterization
•     3.4.1 Scanning Probe Microscopes
• 4 SPIN-ORBIT TORQUE INDUCED IN HEAVY METAL/FERROMAGNET MULTILAYERS WITHBILAYER OF HEAVY METALS
•   4.1 Introduction
•   4.2 Material Stack
•     4.2.1 Sample Growth
•     4.2.2 Method
•   4.3 Result and Discussion
•   4.4 Conclusion
• 5 THE DOMINANCY OF DAMPING LIKE TORQUE FOR THE CURRENT INDUCEDMAGNETIZATION SWITCHING IN Pt/Co/W MULTILAYERS
•   5.1 Introduction
•   5.2 Material Stack
•     5.2.1 Sample Growth
•     5.2.2 Method
•   5.3 Results and Discussion
•   5.4 Conclusions
• x HETEROSTRUCTURES'>6 MODULATED SPIN ORBIT TORQUE VIA CONTROLLING THE OXIDATION LEVEL OF Ti INPt/Co/TiO_xHETEROSTRUCTURES
•   6.1 Introduction
•   6.2 Material Stack
•     6.2.1 Sample Growth
•     6.2.2 Method
•   6.3 Result and Discussion
•   6.4 Conclusion
• x/Co/Ta MULTILAYERS'>7 ENHANCED THE PERFORMANCE OF CURRENT-INDUCED MAGNETIZATION SWITCHINGIN Pt/Co/AlO_x/Co/Ta MULTILAYERS
•   7.1 Introduction
•   7.2 Material Stack
•     7.2.1 Sample Growth
•   7.3 Result and Discussion
•   7.4 Conclusion
• 8 GENERAL CONCLUSION AND OUTLOOK
• REFERENCES
• 作者简历及在学研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: Zelalem Abebe Bekele（泽拉勒姆·阿贝贝·贝克莱）

导师: 姜勇

关键词: 磁性材料,垂直磁各向异性,多层膜,自旋轨道耦合,自旋霍尔效应,自旋轨道转矩

来源: 北京科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 北京科技大学

分类号: O441

总页数: 143

文件大小: 9390K

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